（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201600）

裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)的末端環(huán)節(jié)，同時(shí)也是直接影響產(chǎn)品性能的重要環(huán)節(jié)之一[1]。復(fù)雜裝配產(chǎn)品由于其零部件眾多、工藝繁雜等特點(diǎn)，在產(chǎn)品研制過程中，通常會(huì)伴生有各類型的裝配信息，比如零部件間的組成關(guān)系、裝配特征間的配合關(guān)系以及裝配工藝過程。然而這些裝配信息往往分散于CAD模型文件和裝配工藝文檔中，由于兩者語義的異構(gòu)性會(huì)導(dǎo)致裝配工藝決策無法得到產(chǎn)品幾何模型的支撐，在工藝規(guī)劃等應(yīng)用層面難以進(jìn)行工藝知識(shí)的積累，同時(shí)大量分散、無規(guī)范的裝配數(shù)據(jù)也不利于復(fù)雜裝配產(chǎn)品的數(shù)字化管理，難以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的追溯[2]。因此，建立能夠清晰表達(dá)多層次、多類型裝配語義的統(tǒng)一信息模型是解決上述問題的關(guān)鍵。

目前，裝配語義信息的建模方法主要分為面向?qū)ο?、基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML、基于本體以及基于知識(shí)圖譜。Xu 等[3]以面向?qū)ο蟮乃枷雽?fù)雜產(chǎn)品的裝配關(guān)系、裝配結(jié)構(gòu)的組成部分以及特性封裝為對(duì)象類，有效地避免裝配信息發(fā)生組合爆炸的情況，但面向?qū)ο蟮乃枷雮?cè)重于描述類的結(jié)構(gòu)及行為方法，對(duì)類與類之間的關(guān)系描述能力較弱；張鑫[4]針對(duì)協(xié)同環(huán)境下裝配設(shè)計(jì)信息的數(shù)據(jù)共享問題，提出基于XML 框架設(shè)計(jì)裝配語義元單元，將異構(gòu)CAD 系統(tǒng)中的裝配特征和裝配約束進(jìn)行統(tǒng)一映射，但其語義框架并未考慮也難以表達(dá)裝配工藝中的序列關(guān)系；喬立紅等[5]基于本體語義建立結(jié)合產(chǎn)品幾何信息的裝配工藝本體模型，以該模型為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)裝配工藝相關(guān)信息的推理。相較于抽象的本體概念，知識(shí)圖譜在概念的基礎(chǔ)上以“實(shí)體-關(guān)系-實(shí)體”，“實(shí)體-屬性-值”的形式組織信息[6]，從而能夠更清晰地描述裝配語義中復(fù)雜的序列、配合、約束等裝配關(guān)系，并且近年來深度學(xué)習(xí)的發(fā)展使得知識(shí)圖譜中的實(shí)體、關(guān)系等語義信息能夠以稠密、低維的實(shí)數(shù)向量進(jìn)行表示[6]，通過該表示形式可以計(jì)算語義信息間的相似度以及預(yù)測(cè)實(shí)體間的關(guān)系，在模型層面為裝配工藝的智能規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。Chen 等[7]基于知識(shí)圖譜將CAD 幾何信息與裝配工藝文檔信息進(jìn)行集成建模，有效地提升了裝配信息之間的交互效率，但該模型并未考慮裝配特征配合中幾何元素的影響，同時(shí)也未描述該知識(shí)圖譜的構(gòu)建方法。

針對(duì)以上研究的優(yōu)缺點(diǎn)，本文基于知識(shí)圖譜提出一種面向多層次裝配語義信息的建模方法。首先根據(jù)裝配語義的層次類型設(shè)計(jì)知識(shí)圖譜框架，并描述各層次所包含的類與關(guān)系；然后結(jié)合CAD 文件和裝配工藝文檔介紹如何從中抽取并映射相關(guān)語義數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)圖譜模型的構(gòu)建；最后以航空航天產(chǎn)品中的速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為例，驗(yàn)證該模型框架及構(gòu)建方法的可行性。

基于知識(shí)圖譜的裝配語義模型框架

1 基礎(chǔ)定義

定義1?；谥R(shí)圖譜的裝配語義模型KG-ASM（Knowledge graph-based assembly semantics model)，通過知識(shí)圖譜的信息組織形式“節(jié)點(diǎn)-關(guān)系-節(jié)點(diǎn)”與“節(jié)點(diǎn)-屬性-值”表達(dá)裝配體的幾何語義、裝配工藝過程語義以及兩者之間的語義關(guān)系，即KGASM={AE ∪GF ∪AO ∪SR}。

定義2。裝配元素AE：總裝FA、子裝配體SA、零件PA 統(tǒng)稱為AE，即AE={FA ∪SA ∪PA}。

定義3。幾何特征GF：面向裝配時(shí)GF 可分為裝配特征AF 和非裝配特征NAF，其中AF代表直接參與配合的幾何特征；面向幾何拓?fù)鋾r(shí)GF 由面“Face”、邊“Edge”、頂點(diǎn)“Vertex”構(gòu)成，即GF={AF ∪NAF}={Face ∪Edge∪Vertex}。

定義4。裝配操作AO：典型的AO包含裝配工序AP、裝配工步AS 與工裝夾具AT，即AO={AP ∪AS ∪AT}。

定義5。語義關(guān)系SR：由廣義的包含關(guān)系HAS、面向裝配結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系ST、面向裝配幾何的幾何拓?fù)潢P(guān)系GT 以及面向裝配工藝的序列關(guān)系SE、裝配約束關(guān)系A(chǔ)C 共同組成，即SR={HAS ∪ST ∪GT ∪SE ∪AC}。

需要強(qiáng)調(diào)的是上述概念可以覆蓋裝配幾何語義和裝配工藝語義，但是部分概念本身是抽象的（如語義關(guān)系SR），有時(shí)無法直接作為知識(shí)圖譜所需要的實(shí)體類節(jié)點(diǎn)和關(guān)系類節(jié)點(diǎn)。因此為了更加準(zhǔn)確清晰地描述面向裝配的復(fù)雜語義信息，KG-ASM 將從裝配結(jié)構(gòu)、幾何表達(dá)、裝配工序、裝配工步4個(gè)層次出發(fā)，結(jié)合各層次的語義表達(dá)特征將抽象的概念具象化為類節(jié)點(diǎn)。

2 多層次語義框架

裝配結(jié)構(gòu)層用于描述總裝產(chǎn)品的BOM 信息以及零部件間的組成關(guān)系。該層將定義5中的ST 具象化，定義hasSub、subOf表示總裝產(chǎn)品與子裝配體間的組成關(guān)系；hasPart、partOf表示子裝配體與零件間的組成關(guān)系；relativePosition 則表示實(shí)體類節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位置關(guān)系，其“matrix”屬性用于存儲(chǔ)不同零部件在同一基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的相對(duì)旋轉(zhuǎn)和相對(duì)平移矩陣。

幾何表達(dá)層用于描述總裝產(chǎn)品中零件的幾何形狀語義和幾何拓?fù)潢P(guān)系。針對(duì)幾何形狀，該層為“零件”節(jié)點(diǎn)附加“URL”屬性以鏈接外部CAD模型，“面”節(jié)點(diǎn)附加“名稱”、“類型”和“形位公差”屬性，“邊”節(jié)點(diǎn)附加“名稱”、“類型”和“尺寸公差”屬性，“頂點(diǎn)”節(jié)點(diǎn)附加“坐標(biāo)”屬性。針對(duì)幾何拓?fù)潢P(guān)系，該層將定義5中的GT 具象化，定義hasAF與hasNAF表示零件幾何體具有的裝配/非裝配特征；hasFaces表示裝配/非裝配特征由一系列特征面構(gòu)成；hasEdges 與hasStrips表示形成特征面的邊界和離散三角形面片；hasDatum表示特征面的形位公差所相對(duì)的基準(zhǔn)；hasAnchors表示形成邊界的錨點(diǎn)；AdjacentTo 則表示該層實(shí)體類節(jié)點(diǎn)間的相鄰關(guān)系。

裝配工序?qū)佑糜诿枋龈餮b配工序包含的裝配工步，經(jīng)歷的時(shí)間跨度，所處的生產(chǎn)地點(diǎn)，需要的工裝夾具以及不同工序間的裝配順序?？紤]到裝配件在經(jīng)過一道工序后結(jié)構(gòu)形狀會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)在進(jìn)入下一道工序前可能需要調(diào)整位姿，該層額外定義一個(gè) “工序間”實(shí)體類節(jié)點(diǎn)以記錄裝配件在前后工序間的裝配狀態(tài)，其“位姿”屬性用以存儲(chǔ)當(dāng)前工序的位姿矩陣和進(jìn)入下一工序的位姿變換矩陣，“URL”屬性用以指向當(dāng)前工序在裝配結(jié)構(gòu)層中對(duì)應(yīng)的“子裝配體”節(jié)點(diǎn)。“工裝夾具”節(jié)點(diǎn)具有“類型”和“名稱”屬性以明確該設(shè)備是用于定位還是夾緊。針對(duì)工序之間的裝配順序關(guān)系該層將定義5中的SE 具象化，定義“before”與“after”表示裝配工序的先后順序；“with”表示兩道裝配工序是同時(shí)進(jìn)行的，無先后關(guān)系；“cycle”則表示需要對(duì)某一道工序重復(fù)操作。

裝配工步層用于描述某一工步下兩個(gè)裝配元素的配合過程以及工步與工步之間的順序關(guān)系。在裝配順序關(guān)系的定義上該層與裝配工序?qū)宇愃?，同時(shí)該層也額外定義一個(gè)“工步間”節(jié)點(diǎn)，作為裝配件在前后工步間的引用。與“工序間”節(jié)點(diǎn)不同的是由于裝配工步測(cè)重于裝配特征間的配合關(guān)系，“工步間”節(jié)點(diǎn)將繼承該道工步中兩個(gè)裝配元素所有未參與配合的裝配特征，作為后續(xù)工步中的待裝配特征。針對(duì)兩個(gè)裝配元素在各工步中需要明確主次之分，同時(shí)直接參與裝配的裝配特征需要滿足一定的約束條件，該層基于廣義包含關(guān)系HAS 定義hasBase 和與之匹配的isAssembledAt 以表示該道工步中某一裝配元素為基體單元，另一裝配元素為待裝配單元，并根據(jù)指定的約束條件將定義5中的AC 具象化（此處以兩個(gè)裝配特征同軸舉例將其具象化為coaxialWith）。

基于上述類節(jié)點(diǎn)及其屬性可得KG-ASM的多層次語義模型框架，如圖1所示。

圖1 KG-ASM語義框架Fig.1 KG-ASM semantic framework

基于知識(shí)圖譜的裝配語義模型構(gòu)建方法

知識(shí)圖譜模型的本質(zhì)是一種由很多實(shí)例三元組構(gòu)成的大型語義網(wǎng)絡(luò)[8]，構(gòu)建的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)抽取和知識(shí)表示。上文已經(jīng)對(duì)KG-ASM 用于表達(dá)語義知識(shí)的架構(gòu)及各語義層的類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了描述，下文將以此為基礎(chǔ)，介紹如何從CAD 文件和裝配工藝文檔中抽取相關(guān)語義對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)類節(jié)點(diǎn)的實(shí)例化。

1 裝配結(jié)構(gòu)構(gòu)建

為了能夠直接快捷地對(duì)各類CAD 產(chǎn)品模型中的裝配結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行解析和抽取，本文選擇中性文件3DXML 作為KG-ASM 裝配結(jié)構(gòu)層中實(shí)例三元組的數(shù)據(jù)來源。

在3DXML 文件中產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)信息由＜ProductStructure ＞節(jié)點(diǎn)開始，它共有4個(gè)子節(jié)點(diǎn)[9]，其中與裝配結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的是＜Reference3D＞引用節(jié)點(diǎn)和＜Instance3D＞實(shí)例節(jié)點(diǎn)。＜Instance3D＞既是某一＜Reference3D＞的組成部分，同時(shí)也是另一＜Reference3D＞的實(shí)例，這兩個(gè)不同＜Reference3D＞的ID 屬性值分別存儲(chǔ)在＜Instance3D＞的＜IsAggregatedBy＞子 節(jié)點(diǎn) 和＜IsInstanceOf＞子 節(jié)點(diǎn)中。因此可以將各＜Instance3D＞作為KG-ASM 中裝配元素類（零件、子裝配體、總裝）的實(shí)體節(jié)點(diǎn)，以＜Reference3D＞為過渡進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系類節(jié)點(diǎn)的實(shí)例化。結(jié)合3DXML文件中的部分描述片段，該方法的具體步驟如圖2所示。

2 幾何信息構(gòu)建

在KG-ASM 幾何表達(dá)層中幾何語義的基本單元為“面”、“邊”、“點(diǎn)”，裝配特征和非裝配特征則是由這些基本單元組合而成，這種表示方法符合B-rep 邊界表示法的“體-面-環(huán)-邊-點(diǎn)”幾何表達(dá)思想，因此本文選擇以B-rep 邊界表示法為幾何描述形式的STEP AP242 文件作為KG-ASM 幾何表達(dá)層中實(shí)例三元組的數(shù)據(jù)來源。

STEP AP242 文件分為頭部段和數(shù)據(jù)段，產(chǎn)品的幾何元素存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)段中，其基本格式為：#數(shù)字=關(guān)鍵字（‘名稱’，‘屬性值’，‘屬性值’，……）[10]。其中#數(shù)字是幾何元素的標(biāo)識(shí)符，幾何元素之間可以通過標(biāo)識(shí)符相互引用；關(guān)鍵字代表幾何元素的語義特征；后續(xù)括號(hào)里的內(nèi)容則是該語義特征具有的屬性，屬性既可以是數(shù)值，也可以是其他幾何元素的標(biāo)識(shí)符。因?yàn)镾TEP AP242中包含大量豐富的幾何語義特征，以STEP 文件的部分片段為例，定義STEP 中部分關(guān)鍵字與KG-ASM 中幾何語義類實(shí)例之間的映射關(guān)系，如圖3和表1所示。

雖然STEP AP242可以完整地表達(dá)一個(gè)產(chǎn)品的幾何特征，但是裝配特征是由一系列特定的幾何特征構(gòu)成，因此無法直接從STEP AP242 中獲取裝配特征。對(duì)于裝配特征的獲取方法可以采用一些特征識(shí)別算法，比如基于規(guī)則的邊界匹配識(shí)別[11]，也可以基于CAD API 對(duì)造型特征進(jìn)行提取[12]，本文采用的方法是后者。

圖2 裝配結(jié)構(gòu)類節(jié)點(diǎn)實(shí)例化Fig.2 Instantiation of assembly structure node

圖3 STEP文件部分片段Fig.3 Part of STEP file

3 裝配工藝信息構(gòu)建

裝配操作的工藝信息記錄在裝配工藝文檔中，目前大部分的工藝文檔還屬于半結(jié)構(gòu)化甚至非結(jié)構(gòu)化的形式，以人工方式對(duì)裝配工藝文檔中的語義信息進(jìn)行抽取，在面對(duì)大量文檔時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量的人力和精力。因此本文選擇基于自然語言處理NLP中的詞性標(biāo)注與實(shí)體識(shí)別任務(wù)[13]對(duì)裝配工藝文檔中的語素進(jìn)行分解并分類，然后將分類后的詞序列用于KG-ASM 裝配工序?qū)雍脱b配工序?qū)又蓄惞?jié)點(diǎn)的實(shí)例化。為了適當(dāng)簡化NLP 任務(wù)的復(fù)雜度，假設(shè)輸入的工藝文檔為半結(jié)構(gòu)化形式，即工序和工步具有獨(dú)立的序號(hào)表示順序關(guān)系，且工序內(nèi)容后緊跟該工序包含的工步內(nèi)容?；诖思僭O(shè)，裝配工藝語義信息的抽取及類節(jié)點(diǎn)實(shí)例化的方法如表2所示。

表1 STEP與KG-ASM的幾何語義映射Table1 Geometric semantic mapping of STEP and KG-ASM

表2 工藝語義節(jié)點(diǎn)實(shí)例化算法Table2 Process semantic node instantiation algorithm

案例與驗(yàn)證

本文以航空航天產(chǎn)品中速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（圖4）的試裝過程為例，分別從CAD模型文件與裝配工藝文檔中抽取裝配結(jié)構(gòu)、裝配幾何特征、裝配工序過程等語義數(shù)據(jù)，并使用開源的Neo4j 圖數(shù)據(jù)庫對(duì)抽取出的語義數(shù)據(jù)進(jìn)行知識(shí)圖譜建模，從而驗(yàn)證該模型框架與構(gòu)建方法的可行性。

首先根據(jù)速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的3DXML文件提取零部件間的裝配結(jié)構(gòu)信息，結(jié)構(gòu)信息的抽取方法與知識(shí)圖譜中相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)例化方法于前文進(jìn)行了描述，得到的裝配結(jié)構(gòu)類節(jié)點(diǎn)如圖5所示。其中藍(lán)色節(jié)點(diǎn)為速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的總成產(chǎn)品，紅色節(jié)點(diǎn)為包含多個(gè)裝配元素的子裝配體，棕色節(jié)點(diǎn)則為零件。通過圖數(shù)據(jù)庫的CQL 語法可以便捷地查詢每個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性以及它們之間的組成關(guān)系，如圖5中名為“輸入軸總成”的子裝配體包含有輸入軸、軸承、墊圈等零件。

圖4 速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.4 Speed adjusting mechanism

圖5 裝配結(jié)構(gòu)類節(jié)點(diǎn)Fig.5 Assembly structure nodes

得到零部件在知識(shí)圖譜模型中的節(jié)點(diǎn)后便可根據(jù)各零件的STEP AP242 文件與表1中定義的關(guān)鍵字映射關(guān)系構(gòu)建相關(guān)的幾何元素節(jié)點(diǎn)與幾何拓?fù)潢P(guān)系，如輸入軸總成中的輸入軸所對(duì)應(yīng)的部分幾何類節(jié)點(diǎn)，如圖6所示。

最后基于百度的Bi-GRU-CRF深度網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的裝配工序文檔進(jìn)行詞素的分解分類，詞性類別的標(biāo)簽與含義如表3所示。

由于裝配工藝文檔所涉及的一些專有名詞或術(shù)語在通用中文語料數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練下通常會(huì)被統(tǒng)一認(rèn)為是普通名詞，如在“將鍵裝入軸段的鍵槽”的分類結(jié)果中“鍵”、“軸段”和“鍵槽”的詞性類別都為“名詞”，但對(duì)于裝配工藝而言“鍵槽”是“軸段”的“裝配特征”。因此本文以工藝文檔中出現(xiàn)的專有詞語構(gòu)建干預(yù)語料集，部分片段如圖7所示，經(jīng)過干預(yù)后工藝文本的部分詞素分類結(jié)果如圖8所示。

圖6 輸入軸對(duì)應(yīng)的幾何類節(jié)點(diǎn)Fig.6 Geometric nodes corresponding to input axis

分類后的詞序列將根據(jù)表2 中定義的工藝類節(jié)點(diǎn)實(shí)例化方法生成裝配工序/工步層的知識(shí)圖譜，速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中殼體總成、輸入軸總成、中間軸總成的工序內(nèi)容所對(duì)應(yīng)的部分知識(shí)圖譜節(jié)點(diǎn)如圖9所示，表4為上述3個(gè)部件的所有工藝/工步類節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

表3 詞性類別的標(biāo)簽與含義Table3 Labels and meanings of part-of-speech

結(jié)論

裝配總成產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的裝配數(shù)據(jù)通常分散于CAD模型文件與裝配工藝文檔中，不利于產(chǎn)品的統(tǒng)一數(shù)字化管理，也難以積累基于產(chǎn)品幾何信息的工藝知識(shí)。為此本文提出了一種基于知識(shí)圖譜的裝配語義模型，并描述了其建模方法。

（1）分別從裝配結(jié)構(gòu)、幾何表達(dá)、裝配工序、裝配工步4個(gè)層次定義裝配語義中的實(shí)體類語義與關(guān)系類語義，并通過“實(shí)體-屬性-值”、“實(shí)體-關(guān)系-實(shí)體”的信息組織形式將不同層次間的語義信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了CAD 數(shù)據(jù)與裝配工藝文本在語義層面的集成。

圖7 干預(yù)語料集部分片段Fig.7 Part of intervention corpus

圖8 部分詞素分類結(jié)果Fig.8 Part of word classification results

表4 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table4 Node data statistics

圖9 部分裝配工藝/工步類節(jié)點(diǎn)Fig.9 Part of assembly process/step nodes

（2）描述了3DXML、STEP 文件與裝配語義模型中節(jié)點(diǎn)的語義映射關(guān)系，并通過NLP技術(shù)對(duì)半結(jié)構(gòu)化的裝配工藝文檔進(jìn)行詞素的分解分類，實(shí)現(xiàn)了該模型的自動(dòng)構(gòu)建。

（3）以航空航天產(chǎn)品中速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的試裝過程為例，驗(yàn)證了該裝配語義模型及其構(gòu)建方法的可行性。